Файл: Ufimtsev P. Fundamentals of the physical theory of diffraction (Wiley 2007)(348s) PEo .pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.06.2024

Просмотров: 972

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

7.9 Improved Theory of Elementary Edge Waves 203

of the general expressions (7.163) and (7.164) and the identities Vt = V thp, Ut = U thp, which are valid in the case α = 2π .

To find the total field scattered by finite objects, one should also calculate the contribution generated by the uniform component distributed over the finite elementary

strips (0 ≤ ξ1,2 l). In the far zone (R

 

 

kl2), it is determined by the integrals

 

dζ

 

eikR l

 

duh1(0) =

 

ik sin γ0 sin ϑ sin ϕ

 

 

 

0 jh1(0)1, ϕ0)eikξ1 cos β1 dξ1

(7.179)

4π

 

R

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dζ

eikR

l

 

 

dus1(0) = −

 

sin γ0

 

 

 

0 js1(0)1, ϕ0)eikξ1 cos β1 dξ1.

(7.180)

 

4π

R

 

 

Replacing ξ1, β1, ϕ, ϕ0 here with ξ2, β2, α ϕ, α ϕ0, one obtains the equations associated with the field from strip 2 (0 ≤ ξ2 l). These integrals are easily calculated in closed form. We show only those results that relate to the grazing incidence (ϕ0 = π ):

(0)

= u0eikζ cos γ0

dζ eikR sin γ0 sin ϑ sin ϕ

)eikl(1−cos β1) − 1* ,

(7.181)

duh1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4π R

1 − cos β1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin γ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0)

= u0eikζ cos γ0

dζ eikR

 

 

2

 

 

ei3π/4

 

kl(1−cos β1)

2

dus1

 

 

 

 

 

 

 

π

0

 

 

eit dt.

2π

R

1

cos β1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.182)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

For the grazing scattering direction (β1 = 0, ϕ = 0), it follows from these equations that

duh1(0) = 0

 

 

 

 

 

 

(7.183)

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dζ eikR

 

 

 

 

 

 

dus1(0) = u0eikζ cos γ0

 

 

2kl

 

 

 

 

 

sin γ0

 

 

ei3π/4.

(7.184)

2π R

π

As was expected, the field duh,s(0) is also free from the grazing singularity.

7.9.2Electromagnetic EEWs

This theory is based on the paper by Ufimtsev (2006b).

Asymptotic expressions for electromagnetic EEWs established in Section 7.8 possess the grazing singularity. Careful analysis reveals the reason for this singularity. As in

TEAM LinG


204 Chapter 7 Elementary Acoustic and Electromagnetic Edge Waves

(0)

the case of acoustic waves, it turns out that the original definitions of quantities j and

j(1) are not adequate for actual surface currents induced under the grazing incidence (ϕ0 = π or ϕ0 = α π ). In this case, for instance, the component jn(1), normal to the edge, does not vanish away from the edge, but instead it transforms into a plane wave

there. Also, the component jn(0) includes the absent reflected wave. Therefore, one

(0,1)

should modify the original definitions of j to avoid the grazing singularity.

(0) hp

With this purpose we introduce a new uniform component j j identical to the electric surface current induced on the illuminated side of the tangential perfectly

(1)

conducting half-plane. A new nonuniform component of the surface current j is the

difference j(1) = j(t) j hp, where j(t) is the total current induced on the tangential perfectly conducting wedge.

(1)

EEWs Radiated by the Nonuniform Component j

The incident electromagnetic wave (7.129) undergoes diffraction at a scattering per-

(1)

fectly conducting object (Fig. 8.1) and creates there a surface current j . This current radiates diffracted EEWs. Far from the diffraction point ζ (kR 1), these waves can be presented again in the form of Equations (7.130) and (7.131) with new functions

(1) (1)

F and G . These new functions can be found in the same way as described in Section 7.8 and in the papers by Butorin et al. (1987) and Ufimtsev (1991), with a simple modification based on the replacement (7.159). We provide here only the final results.

(1)

The field generated by j is described as

dE

(1)

 

 

dζ

(1), ϕ)

eikR

and

dH(1)

 

R

 

dE

(1)

/Z0

 

=

 

 

 

R

= [

×

]

 

 

2π E

 

 

 

 

 

 

 

with

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1), ϕ)

= [

E0t (ζ ) (1), ϕ)

+

Z0H0t (ζ )

(1), ϕ)

eikφi(ζ ),

E

 

 

 

 

 

F

 

G

 

]

 

 

 

where

(7.185)

(7.186)

Fϑ(1), ϕ) = [Ut 1, ϕ0) Uthp1, ϕ0)] sin ϑ

 

+ [Ut 2, α ϕ0) ε(α ϕ0)Uthp2, α ϕ0)] sin ϑ ,

(7.187)

Fϕ(1), ϕ) = 0,

(7.188)

Gϑ(1), ϕ) = [sin γ0 cos ϑ cos ϕ − cos γ0 sin ϑ cos σ1][Vt 1, ϕ0) Vthp1, ϕ0)]

− [sin γ0 cos ϑ cosϕ) − cos γ0 sin ϑ cos σ2]

 

× [Vt 2, α ϕ0) ε(α ϕ0)Vthp2, α ϕ0)],

(7.189)

TEAM LinG


7.9 Improved Theory of Elementary Edge Waves 205

and

Gϕ(1), ϕ) = −[Vt 1, ϕ0) Vthp1, ϕ0)] sin ϕ sin γ0

− [Vt 2, α ϕ0) ε(α ϕ0)Vthp2, α ϕ0)] sinϕ) sin γ0. (7.190)

It is supposed here that 0 < ϕ0 π .

In the directions ϑ = π γ0 associated with the diffraction cone, these expres-

sions are simplified as

 

 

 

Fϑ(1)γ0, ϕ) = −

 

1

[ f (ϕ, ϕ0, α) f hp, ϕ0)],

Fϕ(1), ϕ) = 0,

 

sin γ0

 

 

 

 

 

(7.191)

1

 

 

 

Gϑ(1)γ0, ϕ) = 0,

Gϕ(1)γ0, ϕ) =

 

[g(ϕ, ϕ0, α) ghp, ϕ0)],

sin γ0

 

 

 

 

 

(7.192)

with functions f , g and f hp, ghp defined above in Section 7.9.1. Comparison with Equations (7.167) and (7.168) reveals the following relationships between the electromagnetic and acoustic EEWs:

Fϑ(1)

1

 

Fs(1)γ0, ϕ)

 

γ0, ϕ) = −

 

 

(7.193)

sin γ0

and

 

 

 

 

 

 

 

1

Fh(1)γ0, ϕ).

 

Gϕ(1)γ0, ϕ) =

 

(7.194)

sin γ0

According to Section 7.9.1 these functions are free from the grazing singularities as well as from the singularities in the directions of the incident and reflected rays.

(0) hp

Field Radiated by the Uniform Component j j

hp

Here we investigate the field radiated by the current j induced on the finite elementary strips (0 ≤ ξ1,2 l) belonging to the finite plane faces of a scattering object (Fig. 7.3). In this investigation we apply Cartesian coordinates x, y, z and x , y , z associated with faces 1 and 2, respectively. Axes x and x belong to faces 1 and 2, respectively, and they are parallel to tangents τ1 and τ2. Utilizing the known solution

TEAM LinG


206

Chapter 7 Elementary Acoustic and Electromagnetic Edge Waves

 

 

 

 

 

 

 

for the half-plane diffraction problem, one finds the current on strip 1,

 

 

jx(0,1) jxhp,1 = 2H0zeikζ cos γ0 eikξ1(cos2 γ0sin2 γ0 cos ϕ0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

× 1 −

eiπ/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

·

 

 

sin γ0 cos

ϕ0

 

eit

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.195)

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jz(,10) jzhp,1 = −2eikζ cos γ0 eikξ1 cos

2

γ0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin γ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

× Y0E0z sin ϕ0eik

ξ1 sin

2

γ0 cos ϕ0

eiπ/4

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

·

 

 

sin γ0 cos

ϕ0

eit

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

0

 

 

 

ei3π/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

eikξ1 sin2 γ0

 

 

 

sin ϕ0eikξ1 sin2 γ0 cos ϕ0

 

 

 

 

+ sin γ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π kξ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos ϕ0eikξ1 sin

2

 

γ0 cos ϕ0

eiπ/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

+ H0z cos γ0

 

 

 

 

 

·

 

sin γ0 cos

ϕ0

eit

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

(7.196)

 

 

 

cos

20

 

 

 

ei3π/4

eikξ1 sin2 γ0

 

 

 

cos ϕ0eikξ1 sin2 γ0 cos ϕ0

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ sin γ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(0)

 

 

 

 

2π kξ1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where Y

1/Z

 

 

is the admittance of free space. The current components j

x ,2

and

(0)

0 =

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

jz,2

on strip 2 are determined by Equations (7.195) and (7.196) with the replacements

 

 

 

 

 

H0z → −H0z,

 

 

 

ξ1 ξ2,

 

 

 

ϕ0 α ϕ0.

 

 

 

 

 

(7.197)

 

The field radiated by these currents is determined (in terms of the retarded vector-

potential dA) as

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dEϕ = −Z0 dHϑ = ikZ0[−dAx,1 sin ϕ + ε(α ϕ0)dAx ,2 sinϕ)],

(7.198)

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dEϑ = Z0 dHϕ = ikZ0{−[dAz,1 + ε(α ϕ0)dAz,2] sin ϑ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ [dAx,1 cos ϕ + ε(α ϕ0)dAx ,2 cosϕ)] cos ϑ ]}.

(7.199)

It is supposed here that 0 < ϕ0 π . For the far zone (R

 

kl 2), one can use the

approximation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dA

 

=

 

 

dζ

 

 

sin γ

eikR

 

 

l j

 

 

 

 

 

)eikξ1,2 cos β1,2 dξ

 

 

.

 

 

 

(7.200)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2

 

4π

 

 

0

 

R

0

1,2

 

 

1,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2

 

 

 

 

 

 

 

TEAM LinG


7.9 Improved Theory of Elementary Edge Waves 207

(0)

After substitution of j 1,2 into Equation (7.200), this leads to the following expressions:

 

 

1

H0zeikζ cos γ0

dζ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eikR

 

 

 

 

 

 

dAx,1 = −

 

 

 

 

[B3, ϕ0) B1, ϕ0)] sin γ0

 

 

,

 

 

 

(7.201)

ik

2π

R

 

 

 

 

 

1

eikζ cos γ0

dζ eikR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dAz,1 = −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ik

2π

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Y0E0z

B3, ϕ0) sin ϕ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B2(ϕ) sin

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

B1, ϕ0) sin ϕ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin γ0

 

ϕ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B1, ϕ0) cos ϕ0 ,

 

 

 

H0z cos γ0 B3, ϕ0) cos ϕ0

 

 

B2(ϕ) cos

2

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin γ0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.202)

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B

, ϕ

)

=

eikl (ϕ,ϕ0) − 1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.203)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0

 

, ϕ0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

eiπ/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

kl (ϕ)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B2(ϕ) =

 

 

 

 

0

 

 

 

 

eit

 

 

dt,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.204)

 

(ϕ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

B3

, ϕ0)

 

1

 

 

 

 

 

e

ikl (ϕ,ϕ0) eiπ/4 ∞

 

 

 

 

 

 

 

e

it

2

dt

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

, ϕ0)

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

2kl

sin γ0 cos

ϕ0

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ B2(ϕ) sin γ0 cos

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.205)

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

with

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, ϕ0) = cos2 γ0 − sin2 γ0 cos ϕ0 − cos β1,

 

 

 

 

(7.206)

 

 

 

 

 

 

 

(ϕ) = 1 − cos β1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(7.207)

Components dAx ,2 and dAz,2 are found from dAx,1 and dAz,1, respectively, with

replacements H0z → −H0z, ϕ α ϕ, ϕ0 α ϕ0, and β1 β2.

We then substitute the above equations for the vector dA into Equations (7.198) and (7.199) and obtain the field expressions in the form of Equations (7.130) and (7.131):

dE(0)

 

 

dζ

(0), ϕ)

eikR

,

dH

(0)

 

R

 

dE

(0)

/Z0,

(7.208)

=

 

 

 

R

 

= [

×

]

(0), ϕ)

2π E

 

 

 

 

 

 

 

 

= [

E0t (ζ ) (0), ϕ)

+

Z0H0t (ζ ) (0), ϕ)

eikφi (ζ ),

(7.209)

E

 

F

 

 

 

G

 

 

]

 

 

 

 

TEAM LinG